蒸汽機是壹種利用水蒸氣把熱能轉變成機械能的動力裝置。人類對蒸氣的認識和利用，經歷了壹段較長的歷史。英國君主立憲制確立後，英國的工業迅速發展，珍妮紡紗機和水力紡紗機等機器的使用日益廣泛，但動力問題卻成為擴大機器生產的“瓶頸”。1705年，英國鐵匠鈕可門制成了可用於礦井抽水的“鈕可門蒸汽機”。但因存在著燃料消耗過多，只能往復直線運動，且溫度無法控制的缺點，未能在其他生產部門廣泛采用。
瓦特主持修理的正是壹臺“鈕可門蒸汽機”，他接受這壹任務後很快就把這臺鈕可門發動機模型修好了。但他對此並不滿足，通過這次修理，瓦特對蒸汽機的結構、性能和存在的問題有了更多的了解，並且產生了濃厚的興趣，像著了迷壹樣。他觀察到鈕可門發動機的活塞從根本上說是用機械的力量取代了人的雙手，但是壹分鐘只能往返10次，工作效率極低。他決心改進蒸汽機的設計。
瓦特開始學習蒸汽機的原理，根據發動機的原理來考慮問題。他又研究了蒸氣的性質，從蒸氣和燃料的消耗等具體問題開始研究，然後擴大到熱的移動和發動機的關系等抽象問題上。他進行了多次實驗，但仍沒有想出壹個改良“鈕可門蒸汽機”效率的具體辦法。
在壹個晴朗的星期天下午，瓦特正在郊外散步，但他的腦海裏仍然在思考著蒸汽機問題。突然他腦中閃出壹個念頭：加裝壹個蒸氣冷凝器，就可以彌補蒸氣在汽缸裏冷卻凝聚而過多浪費熱量的重大缺陷。他馬上辭去了在格拉斯哥大學的工作，全身心地投入了試制樣機的工作。在租借的地下室裏，瓦特和他的助手經過反復試驗，終於在1768年制成有分離冷凝器的單動式蒸汽機，第二年獲得專利申請。瓦特的蒸汽機比鈕可門的蒸汽機有更顯著的優點：它的安全性更可靠，運動更迅速，燃料耗費也減少了75％。大家都誇獎瓦特的發明。
“不!它只是單動式的。我還要制造聯動式的，讓它更圓滿地運轉!”瓦特並不滿足於自己的成就。
1774年，瓦特因妻子去世，從蘇格蘭遷居伯明翰。在制造商波爾頓的支持下，繼續進行蒸汽機的制作和改進工作。1781年，瓦特采用了行星齒輪機構，使蒸汽機從往返運動變為旋轉運動。1782年，瓦特制造了更為完善的聯動式蒸汽機，功效提高4倍。1784年他又發明了平行連桿機構，使蒸汽機具有更廣泛的應用性。壹年後，英國出現了第壹座采用蒸汽機作為動力的紡紗廠。1788年瓦特發明了離心調速器和節氣閥。1790年，制成汽缸示動器，最終完成了對蒸汽機的整個發明過程。從此，性能優越的瓦特蒸汽機完全取代了老式鈕可門發動機。
從技術角度而言，瓦特蒸汽機與鈕可門發動機有著質的差別，鈕可門發動機的活塞運動壹部分靠蒸氣推動，另壹部分靠外界的大氣壓力推動。而瓦特蒸汽機采用密封氣缸，活塞運動完全靠蒸氣的推力，所以才堪稱世界上第壹臺蒸汽機。此外，把離心調節器用於蒸汽機，創造了動力單位——馬力，也是瓦特的功勞，離心調節器是壹種通過過程本身的變化來控制過程的裝置。自動化的興起雖然是20世紀以後的事，但它起始於瓦特。調節器這個詞，通過希臘語，為我們提供了壹個現代語——控制論。
從研究方法的角度來看，瓦特沒有進入當時手工藝人的行列，也未受過高等教育。但他找到了觀察認識和研究探索蒸汽機的新道路，就是從科學和實用兩個方面去分析發動機是如何工作的。這是現代技術專家所特有的研究方法，因此我們把瓦特稱之為第壹位現代技術專家壹點也不過分。
瓦特的發明，使人類獲得了壹種把熱運動轉化為機械運動的機械裝置，從而滿足了社會對動力能源的需要。工廠開始了大規模的生產，工廠工人取代了手藝工人。1807年，美國人富爾敦把瓦特的蒸汽機裝在輪船上，從此輪船通航世界；1814年，英國人史蒂芬遜把瓦特的蒸汽機裝在機車上，從此鐵路交通遍及五大洲。蒸汽機的廣泛使用，最終促成了英國和歐洲的工業革命，引起了社會生產力的驚人發展。它是科學技術史上具有偉大意義的第壹次技術大革命。
人們為了紀念瓦特的偉大發明，把發電機和電動機的功率計算單位稱為“瓦特”，簡稱為“瓦”，並壹直沿用至今。